抗生素抗性基因在填埋场反应器中的传播机理与渗滤液回灌影响研究

抗生素抗性基因在填埋场反应器中的传播机理与渗滤液回灌影响研究

【摘要】： 城市垃圾填埋场已成为抗生素抗性基因(ARGs)的储存库,随着填埋场产生的污染物如渗滤液等的外排,给周围环境带来潜在抗性基因风险。但目前对不同填埋环境下的填埋场中抗生素和重金属暴露对ARGs的变化及去除的影响尚不明确。本研究通过在实验室构建填埋场反应器,研究兼氧和厌氧环境下,抗生素(磺胺二甲基嘧啶(SMZ)、盘尼西林(PenG))和重金属(铬酸钾、硫酸锌)暴露时,对填埋场中ARGs丰度的影响,通过分子技术和相关性分析解析携带ARGs的潜在宿主和驱动ARGs变化的关键因子,阐明ARGs在填埋场体系中传播机理。同时研究渗滤液回灌填埋场反应器,探讨回灌对ARGs的影响。本文主要的研究结果如下:(一)填埋过程中ARGs的变化特征研究:通过实验室构建填埋反应器,并在不同运行条件(兼氧、厌氧)下,探讨在抗性选择物质(抗生素、重金属)暴露的条件下,填埋场反应器渗滤液和固体垃圾中ARGs的变化。渗滤液中ARGs丰度在3.0–10 log_(10)(copies/mL)范围内,ARGs的丰度由小到大依次为TCs类、BLs类、MLs类、ACs类和SAs类ARGs,其主导基因分别为tetM、ermB、bla_(TEM)、aadA1、sul1;兼氧环境下,抗生素的添加导致bla_(TEM)丰度升高,厌氧环境下,抗生素的添加导致除bla_(TEM)外的其他主导基因的丰度都有所提高;与可移动基因元件intl1、intl2显著正相关(P<0.05),可能参与HGT的ARGs有strB、mefA、tetM。固体垃圾中ARGs的丰度由小到大依次为BLs类、TCs类、MLs类、ACs类和SAs类,其主导基因分别为bla_(OXA)、tetM、ermB、aadA1、sul1;在兼氧和厌氧环境下抗生素的添加均会导致sul1和intl1的丰度升高,而重金属的添加导致intl1丰度降低,在厌氧环境下,tetM的丰度显著降低(P<0.05),而重金属的添加可加速此过程;与可移动基因元件intl1、intl2显著相关的目标基因有ermB、sul2、mefA、tetQ、tetM、mexF。(二)填埋反应器中ARGs的传播机理研究研究发现,伴随反应器的运行,渗滤液中TN和TP浓度分别由3543.68±288.26mg/L和7.17±2.60 mg/L显著降低(P<0.05)到614.83±33.46 mg/L和0.41±0.35 mg/L,且兼氧和厌氧环境下TP、NO_3~(-_)N等与ARGs存在显著相关性(P<0.05);固体垃圾中TN和TP浓度分别由6.27±1.29 mg/kg和4.35±0.36 mg/kg显著降低(P<0.05)到3.75±0.41 mg/kg和3.67±0.41 mg/kg,且兼氧环境下TN、TP与int1、aadA1存在显著相关性(P<0.05)。填埋过程中细菌群落结构有变化,但主导菌群基本不变。在渗滤液样品中,优势菌主要有Proteobacteria、Parcubacteria、Saccharibacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和WS6,相对丰度介于7.24±7.72%–20.88±10.51%范围内。兼氧环境下抗生素的存在导致Proteobacteria相对丰度显著降低(P﹤0.05),重金属的存在导致放线菌门相对丰度显著升高(P﹤0.05),且与ARGs正相关的细菌主要有Synergistetes、Candidatus、WS6、WWE3和Tenericutes(P﹤0.05);厌氧环境下重金属的添加导致Proteobacteria相对丰度显著降低(P﹤0.05),且与ARGs显著正相关的细菌主要有Bacteroidetes、Saccharibacteria和Firmicute(P﹤0.05)。(三)渗滤液回灌对填埋反应器中ARGs的变化影响渗滤液中的目标ARGs的总丰度在10.25–11.37log_(10)(copies/mL)范围内变化,在兼氧环境下进行回灌,重金属的添加导致sul1丰度升高,抗生素的添加导致intl2的丰度降低(P﹤0.05);在厌氧环境下,抗生素的添加同样导致intl2的丰度降低(P﹤0.05)。在回灌过程中,可移动基因元件intl1、intl2和TN依然与渗滤液中的主导基因表现出相关性(P<0.05),而出水中MGEs和氮类化合物含量的增加,导致ARGs没有明显的去除,甚至是富集。而在固体垃圾中,ARGs的总丰度在11.0–12.5 log_(10)(copies/g)范围内,其结构组成与主导基因与渗滤液中的情况一致。在进行回灌之后,固体垃圾中仅有mexF得到有效去除(P﹤0.05),其他基因都有1-2个数量级的富集。此外,相比于渗滤液,固相中MGEs和ARGs的关联性降低,但氮类化合物对ARGs的影响依然存在(P﹤0.05)。综上,本研究探讨了在不同运行条件下填埋场反应器在抗生素和重金属暴露对其中ARGs的变化及其机理,揭示了理化指标和微生物群落对ARGs扩散的影响,指出了渗滤液回灌对填埋场中ARGs的污染控制有限,对填埋场中ARGs的管理和控制具有理论意义。

【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019

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